回歸身心一體：具身認知視域下的科學探究

【摘 要】具身認知理論強調身體不僅僅是接收器和響應器，同時也是認知的一部分，認知是大腦、身體與環境相互作用的結果。如何使高中物理學科核心素養落地轉化，具身理論為我們提供了新的視角。以高中物理“法拉第電磁感應定律”的教學為例，探討在具身認知理論框架下如何創設情境，貼近學生最近發展區，激發學習熱情，增強情緒感受，構成一個由“大腦—身體—環境”組成的耦合系統，讓學生體驗身心一體的科學探究過程。

【關鍵詞】具身認知理論；核心素養；科學探究

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2022）83-0075-06

【作者簡介】戴加成，江蘇省南菁高級中學（江蘇江陰，214400）副校長，正高級教師，江蘇省物理特級教師，無錫市學科帶頭人。

認知源于“身體”，個體的認知發展離不開“身體”的參與。學習過程不是一種可以“離身”的精神訓練，而是需要“身體”積極參與的，是“具身”的。“身體”是知覺的中心，在“身體”的幫助下學生能夠感知課堂上各種各樣的事物和變化，認知是大腦、身體與環境相互作用的結果。

物理學科四大核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任，學生可以通過科學探究形成物理觀念、發展科學思維、提升科學態度與責任。由此可見，科學探究是培育學生學科核心素養的抓手。教學中教師如何創設情境，引導和支持學生進行科學探究，是課堂教學中需要關注的重點，具身理論為我們提供了新的視角。

下面，筆者以高中物理“法拉第電磁感應定律”一課為例，分別從背景分析、設計思路、實施過程、評價反思等方面來探討教學過程中如何創設具身性的情境，進行具身認知視域下的科學探究，讓學生體驗身心一體的科學探究過程。

一、背景分析及教學設計思路

1.教學內容分析

“法拉第電磁感應定律”是高中物理人教版選擇性必修第二冊第二章第二節的內容，是電磁感應現象的核心內容。通過本節課的學習，學生可以加深對磁通量、磁通量的變化、磁通量的變化率等知識點的理解，為后續學習渦流、交流電等內容打下基礎。

2.學情分析

根據教材內容，在學習法拉第電磁感應定律之前，學生剛通過實驗探究了感應電流的方向和磁通量的變化之間的關系，得出了楞次定律。在此基礎上，本節課再研究感應電動勢和磁通量變化率之間的關系，從感應電流深入到感應電動勢，從磁通量的變化深入到磁通量變化率，從定性探究深入到定量探究，對學生提出了更高的要求。這也是教學的難點，需要合理設計教學、搭建支架、分解難點，幫助學生理解并掌握法拉第電磁感應定律。

3.設計思路

直接用實驗來探究法拉第電磁感應定律對中學生而言有一定的難度，為增強學生的切身體驗和實踐感受，可以用實驗來驗證法拉第電磁感應定律，這樣更符合學生認知水平，貼近學生最近發展區。同時，實驗驗證的過程包括“問題、證據、解釋和交流”等科學探究的元素，有助于培養學生的科學探究能力。然而，在中學階段直接通過實驗來確定感應電動勢和磁通量的變化率之間的定量關系很困難，所以在教學時可以通過變換法拉第電磁感應定律的表達式來間接驗證，這符合具身性原則。

二、教學實施過程

1.提出問題

師：同學們，上一節課我們已經通過實驗探究學習了楞次定律。實驗時我們發現，電表的指針除了偏轉方向不同以外，偏轉角度也不一樣，這說明產生的感應電流大小也不一樣。那么感應電流的大小和哪些因素有關呢？請大家通過實驗來定性分析并大膽猜想它們之間可能是什么關系。

生：向線圈中插入或拔出條形磁鐵，發現插拔速度越快，電流表指針偏轉角度越大，產生的感應電流越大。插拔速度越快，磁通量變化越快，即磁通量的變化率越大，說明感應電流大小和磁通量的變化率有關，很可能成正比。

【具身分析】本環節的教學從上一節課實驗探究感應電流方向和磁通量變化之間的關系，自然過渡到研究感應電流的大小和哪些因素有關，學生能夠自然地調動已有的知識來探索新的問題。依據實驗現象，學生憑直覺很容易說出感應電流大小和磁通量的變化率成正比。此時，教師可以鼓勵學生勇于突破、大膽猜想，再引導學生小心求證。

2.講述結論

師：這個猜想很大膽，也很吸引人。我們進一步分析這個電路，有感應電流產生，說明電路中有電源，哪部分相當于電源呢？

生：線圈就是這個電源。

師：對！它的電動勢是由于電磁感應現象產生的，叫作感應電動勢。德國物理學家紐曼、韋伯在對理論和實驗資料進行嚴格分析后，提出“閉合電路中感應電動勢的大小和穿過這一電路的磁通量變化率成正比”這一結論。因英國科學家法拉第對電磁感應現象貢獻巨大，后人稱之為法拉第電磁感應定律，表達式是Ｅ＝ΔΦ/Δt。

【具身分析】本環節教學中對于感應電動勢只是稍做說明，沒有深入介紹，這部分內容可以在下一節課“動生電動勢”中詳細解釋，這樣的教學設計可以讓學生的精力集中在探究感應電動勢和磁通量的變化率的關系上，更利于探究活動的開展。在中學階段，通過實驗得出法拉第電磁感應定律很難實現，所以筆者沒有按照科學探究的一般流程來組織教學，而是采用教師講述的方式，結合物理學史講解法拉第電磁感應定律的內容，然后再通過實驗來驗證法拉第電磁感應定律，這樣的設計更貼近學生的最近發展區。

3.實驗驗證

（1）方案設計

師：這個結論的得出基于當時的理論和實驗資料，這種從有限的事實推導得出一般性結論的方法叫歸納推理。得出結論后，科學家們還會通過實驗來證明或證偽，物理學就是在這個過程中不斷向前發展的。下面請大家嘗試著設計一個實驗來驗證法拉第電磁感應定律，并交流、評估你們的方案。（實驗設備見圖1）

學生方案1：每次把磁鐵從線圈中同一位置拔到同一高度，這樣每次穿過線圈的磁通量的變化量相同，拔出的速度越快，所用時間越短，磁通量的變化率越大，感應電動勢越大。

學生方案2：把磁鐵從不同高度靜止釋放穿過線圈，確保穿過線圈的過程中磁通量的變化量相同。忽略空氣和電磁阻力，磁鐵近似自由落體，可以計算出磁鐵經過線圈時的速度，把這個速度看作磁鐵穿過線圈的速度，線圈寬度恒定，則穿過線圈所用時間和速度成反比。根據法拉第電磁感應定律，可以得出感應電動勢和速度成正比，這樣就不需要直接測量時間了。

生：方案1實際操作時，拔到同一位置不好控制，時間也無法測量，所以我們建議采用方案2。

師：請大家看課本上《做一做》欄目提供的方案，正是大家設計的方案2。

【具身分析】課前筆者為學生準備了線圈、電流表、電壓表、強磁鐵和米尺，提出問題后學生分組討論設計方案，學生在電學實驗氛圍濃郁的情境中時而獨立思考，時而互動交流，有時一籌莫展，有時欣喜若狂，沉浸在身心一體的探究世界里。在米尺的幫助下學生聯想到自由落體運動，設計出方案2。米尺的出現有利于激活學生思維，使學生調動已有的知識經驗解決問題，完成相應的學習任務。

（2）進行實驗

師：請大家按照設計的方案進行實驗并交流體會。

生：用電壓表讀不出磁鐵穿過線圈時產生的電動勢。

師：磁鐵穿過線圈時產生的電動勢用電壓表確實不易讀出，我們可以用DIS電壓傳感器來測量電壓，以時間為橫坐標、電壓值為縱坐標，可以描繪出感應電動勢隨時間變化的曲線。請大家再次實驗。

【具身分析】使用DIS電壓傳感器解決問題的新方法拓寬了學生視野，拓展了學生認知的客觀情境。

生：為方便計算，不妨將線圈分別套在距離管口10厘米、40厘米和90厘米的地方，讓磁體從管口自由釋放，利用電壓傳感器和計算機描繪出感應電動勢隨時間變化的曲線。（見圖2）

師：如何根據感應電動勢隨時間變化的曲線，確定磁鐵分別下落10厘米、40厘米和90厘米時對應的電壓值呢？

生：將圖線的峰值即感應電動勢的最大值作為磁體穿過線圈時產生的感應電動勢，記錄數據。

師：請大家分析表1中的數據，并進行交流。

生：由自由落體運動規律易得磁體分別下落10厘米、40厘米和90厘米時，對應的速度比為1∶2∶3，測出的感應電動勢之比也應該為1∶2∶3，但根據表中的數據發現磁體穿過線圈時產生的感應電動勢不滿足1∶2∶3的關系。

師：我們發現實驗結果和預設不符，這是為什么呢？請大家對照電動勢隨時間變化的曲線，結合磁體運動的過程，分析原因。

生：磁體從開始下落到穿越線圈的過程中磁通量的變化和感應電動勢的變化情況如下。如圖3，從A點開始，線圈中開始有感應電動勢，穿過線圈的磁通量從0開始增加，磁通量的變化率越大，對應的感應電動勢也越大，在C點電動勢達到峰值。接著磁通量的變化率開始減小，對應的感應電動勢也變小，但磁通量還在不斷增加。在電動勢為0的瞬間，磁通量最大，此時磁體恰好經過線圈中心，對應圖3中的B點，接下來磁通量開始減小，線圈中產生和剛才相反的電動勢。圖3中的A、B、C位置對應圖4中的A'、B'、C'的位置，電動勢最大的位置是圖4中C'點，這個位置在線圈上方某處，所以在不同次數的實驗中，它們離開管口的距離分別小于10厘米、40厘米和90厘米。

師：對，磁體在穿過線圈時，感應電動勢不是最大值，而是0。感應電動勢最大的位置應該在線圈上方某個位置，但這個位置并不容易確定?？磥韺嶒灧桨高€需改進，或許還需要重新制定實驗方案。

【具身分析】學生一開始認為磁體穿過線圈時產生的感應電動勢最大，這是有問題的。但教師不必馬上糾正，等到收集完實驗數據，學生分析數據時發現不符合預期，產生認知沖突，從而積極主動地思考，大腦、身體和環境相互作用，深化學生對磁通量、磁通量的變化、磁通量的變化率和感應電動勢的認識，促進物理觀念的形成。

（3）方案優化

師：我們在研究勻變速直線運動的位移和速度關系時，用圖5所示的方法來求運動過程中的位移，能用類似的方法來驗證法拉第電磁感應定律嗎？剛才我們描繪的感應電動勢隨時間變化的曲線（見圖3）所包圍的面積表示什么呢？請大家分組討論并分享你的觀點。

生：如下頁圖6，假設從線圈中開始有感應電動勢到感應電動勢再次為0這一過程所用時間為t，我們可以把時間t分成若干份，每份為Δt_i，這段極短時間對應的電動勢為E_i，磁通量的變化量為ΔΦ_i，若法拉第電磁感應定律即Ｅ＝ΔΦ/Δt成立，則可以得到Ei·Δ t_i＝ΔΦ_i。此表達式說明圖6中曲線和兩條細線與時間軸所包圍的面積表示Δt_i這一極短時間內磁通量的變化量。把0到t這段時間內的所有這些面積累加起來，可得圖中曲線所包圍的面積等于0到t這段時間內的磁通量的變化量。

【具身分析】利用圖片喚起舊知——計算勻變速直線運動的位移。在此情境下，學生可以積極調動已有知識，深入思考“感應電動勢-時間”曲線所包圍的面積表示什么物理量。學生經過互動討論、相互啟發、不斷嘗試，切身體驗探索過程的艱辛和取得突破的喜悅，這樣的情緒體驗讓學生獲得豐富的感性認識，充分調動學生的主觀能動性，完成知識的建構。

（4）再次實驗

師：從線圈上方不同高度釋放磁體，每次磁體穿過線圈的速度不同，產生的電動勢不同，借助傳感器描繪出的曲線也不相同，但如果法拉第電磁感應定律成立，則不同曲線包圍的面積應該相同，若能通過實驗證明不同曲線包圍的面積相同，則可間接證明感應電動勢大小和磁通量的變化率成正比，法拉第電磁感應定律成立。請大家通過實驗來驗證。

生：從線圈上方不同高度釋放磁體，借助傳感器和計算機描繪出瞬時電動勢隨時間變化的圖像。

師：實驗軟件能直接計算出曲線所包圍的面積，以“積分值”呈現，如圖7。請大家多次實驗并將數據記錄在下表中。

【具身分析】使用積分的方法拓寬了學生視野，拓展了學生認知的客觀情境。實驗過程中，每次積分值出來前，學生都全神貫注、充滿期待。這個過程中學生的大腦、身體與情境之間緊密互動，有利于對知識的內化和認知的建構。

（5）得出結論

生：由表2中的數據可知，在誤差允許的范圍內，積分值相同，不同的曲線包圍的面積相同，即磁通量的變化量相同，法拉第電磁感應定律成立。

師：我們還忽略了一個問題，實驗中使用的線圈不止一匝，穿過每一匝線圈的磁通量相同，磁通量的變化率也相同，產生的感應電動勢相等，這一個個線圈相當于一個個小電源，它們之間處于什么關系？

生：串聯。

師：對，所以法拉第電磁感應定律可以表示為Ｅ＝nΔΦ/Δt。

三、評價反思

1.發揮教師主導作用

本次教學過程以具身認知理論為指引，將科學探究貫穿整個課堂。筆者在課前充分了解學生學情，在具身認知視域下精心設計教學過程，為學生鋪設符合其認知規律的探究路徑。當下，由于特別強調學生的主體性，注重對學生自主學習能力的培養，往往又會忽視教師的主導作用。其實，學生的自主學習也好、自主探究也罷，并不意味著教師可以不聞不問。相反，在關鍵時刻教師要充分發揮自身的主導作用，在教學關鍵之處給學生以引導和幫助。如本節課提供的米尺、DIS實驗器材等都是教師在關鍵時刻給予學生學習的必要支架。

2.凸顯學生主體地位

學生是進行科學探究活動的主體，本節課充分發揮了學生的主體性、積極性，學生在探究過程中擁有良好的心靈感受和具身體驗。本節課一開始就從學生已有的知識引入，這樣學生可以迅速進入學習狀態，在設計方案時小組內積極互動，充分表達各自的觀點；學生利用教師提供的儀器，調動已有知識，積極主動地嘗試各種實驗操作，構成了一個由“大腦—身體—環境”組成的耦合系統；在探究過程中不斷優化實驗方案，學生經歷了第一次實驗數據和預期不一致的失望，也經歷了最后三次積分值和預期完美吻合的喜悅。整個過程中學生擁有積極的情緒感受，沉浸式地體驗了身心一體的科學探究。

3.創設具身性的教學情境

新的高考評價體系明確指出高考命題要以情境為載體來考查學生的核心素養，這為高中教學指明了方向——課堂教學要注重情境的創設。本節課依據具身認知理論，對教學內容進行設計，通過提供實驗器材、展示圖片、講述物理學史等方式創設情境，在教學活動中發揮身體在認知過程中的作用，有利于學生在原有認知經驗的基礎上通過身體和環境之間的交互產生感知與經驗，激發學習的興趣，學生主動獲得、理解、掌握并應用知識。在具身性的情境下進行科學探究能夠“點燃”學生對科學的好奇之心，對于學生形成物理觀念、發展科學思維、提升科學態度與責任有著積極的影響，是物理學科核心素養落地轉化的有效途徑。但在具體實踐中并非所有教學內容都符合具身性設計的要求，教師在具體實施的過程中要加以篩選和甄別。

【參考文獻】

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